延性金屬材料動態(tài)損傷演化的微細觀表征與研究.pdf

1、延性金屬材料在強沖擊載荷作用下的拉伸型損傷與力學失效是許多工程技術(shù)領(lǐng)域中的重要科學問題。層裂(spallation)是這類問題相關(guān)的一種典型破壞現(xiàn)象,它是在沖擊波作用下,由于相向稀疏波相互作用產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力引起材料內(nèi)部微損傷成核、長大以及貫通,最后導致材料發(fā)生災(zāi)變式斷裂的一種物理、力學現(xiàn)象。
　　 國內(nèi)寧波大學的王永剛等人(中國工程物理研究院博士學位論文,2006年)在Curran等人(PhysicsReports,147(5&

2、6),253-388,1987)的實驗研究和封加坡等人(J.Appl.Phys,81(6),2575-8,1997)的模型基礎(chǔ)上,提出一個逾滲軟化函數(shù),用于描述損傷演化后期到災(zāi)變斷裂之前由于微孔洞聚集導致的材料快速軟化過程,并據(jù)此引入兩個損傷特征物理量:孔洞聚集臨界損傷度和斷裂臨界損傷度,用于表征微孔洞之間發(fā)生聚集的臨界點和微孔洞聚集后期誘發(fā)災(zāi)變式斷裂的臨界點。但是要想進一步建立能夠真實反映材料損傷演化過程外在表現(xiàn)和內(nèi)在規(guī)律的物理模型,

3、必須關(guān)注材料內(nèi)部損傷演化的微觀特征,從材料學的角度來對這些演化特征進行系統(tǒng)的描述。
　　 祁美蘭等人(武漢理工大學博士學位論文,2006年)通過建立損傷分布統(tǒng)計方法,對同一發(fā)實驗的自由面速度剖面信號和“軟回收”樣品損傷分布的實驗和計算結(jié)果分別做了比對,驗證了模型的合理性。但是這些學者的大部分工作都是建立在完全層裂或是接近斷裂臨界損傷度的情形下,對于在較低的聚集臨界損傷度附近,損傷演化模型及參數(shù)的適用性還沒有的到很好的證明。

4、>　　 本文以高純鋁(99.999％)作為延性金屬的模擬材料,在一級氣體炮上開展了一維應(yīng)變平面沖擊波加載實驗,采用了不同成型的鋁型材加工成實驗樣品(包括棒材和退火處理的板材),分析了高純鋁在較低損傷度下的損傷演化規(guī)律,定量統(tǒng)計了微孔洞的尺寸和損傷分布特征,進一步驗證了損傷演化模型的普適性,同時,使用高分辨透射電鏡對樣品進行了分析與表征,獲得孔洞周圍亞微米及納米尺度的結(jié)構(gòu)特征信息。論文的主要工作和創(chuàng)新點歸納如下:
　　 1.通過

5、改變飛片厚度(2.0mm～3mm),控制不同的加載條件,獲得了未完全層裂的低損傷度下的實驗樣品。基于層裂損傷樣品的定量金相分析方法,對歷經(jīng)了沖擊加載的高純鋁受損樣品進行了細觀統(tǒng)計分析,并與損傷演化模型計算的結(jié)果進行了比較,證明該模型及模型參數(shù)在高純鋁材料動態(tài)損傷演化初期行為預(yù)測上的普適性。
　　 2.使用金相分析的方法,分析了高純鋁材料在動態(tài)損傷演化發(fā)生的初期,材料中孔洞成核與生長行為。結(jié)果表明,在高純鋁中,在拉伸載荷作用下,孔

6、洞的成核,生長主要在晶界上發(fā)生,沿晶界斷裂是最主要的斷裂模式。
　　 3.完成了高純鋁動態(tài)拉伸損傷試樣的透射電鏡分析,基于高分辨透射電鏡的微觀觀察,揭示出微孔洞成核可能存在一種新的機制,即熔融成核機制。在沖擊加載過程中,首先高純鋁試樣在壓縮波的作用下,發(fā)生塑性變形,在較高的應(yīng)變率下,能量局域于試樣中的某些區(qū)域,在高壓作用下,局部升溫熔化。而在應(yīng)力波拉伸作用時,熔融區(qū)域首先出現(xiàn)微孔洞,產(chǎn)生了新的自由面,使熔融區(qū)域物質(zhì)快速卸壓、淬火